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ⓒ한국과학기술연구원 홈페이지

 

자동차나 버스를 타면 덜덜 떨리는 현상, 모두 겪어보셨을 것 같아요. 흔히 겪을 수 있는 이 떨림은 사실 하나의 버려지는 진동 에너지인데요. 발생하는 에너지가 너무 작아서 무시되고 있죠. 국내 연구진들은 생각의 전환을 통해, 이 현상에 에너지를 흡수하여 전기를 생산하는 ‘에너지 하베스터’를 개발했다고 합니다!

 

에너지 하베스팅은 일상에서 버려지거나 새어 나오는 진동, 열과 같은 에너지를 흡수해 전력으로 재활용하는 자가발전 기술을 말합니다. 떨림과 같은 진동 에너지를 이 하베스팅 기술로 전기에너지 생산하기 위해서는 작은 진동으로 최대 에너지 생산과 저장을 위해서는 공진현상을 활용합니다.

 

공진(Resonance)이란, 물체의 고유진동수와 외부에서 가해지는 진동수가 일치하게 될 때 크게 흔들리는 현상입니다. 이 세상의 모든 물체는 고유 진동수를 갖고 진동하고 있으며, 그 진동수에 해당하는 전파나 파동을 흡수하는 성질을 갖고 있습니다. 일반적으로는 진원지에서 멀어질수록 진동이 약해지지만, 공진현상이 일어나면 진원지에서 멀어질수록 진동이 강해지는 것이 특징이죠. 고음의 노랫소리에 유리잔이 깨지는 것도 유리잔의 진동수와 노랫소리의 진동수가 일치하며 강력한 힘이 발생하는 공진현상에 의한 것이랍니다.

 

이렇듯 우리 주변의 진동들은 모두 다른 성질과 부피에 따라 각각 다른 범위의 진동수를 갖고 있습니다. 그러나 기존의 에너지 하베스터는 하나의 고유한 진동수를 가지고 있었기에 설치할 때마다 고유 진동수를 환경에 맞게 튜닝하여 공진을 유도해야 한다는 불편함이 있었죠. 이번에 개발된 ‘자동 공진 튜닝 에너지 하베스터’는 진동수를 맞추기 위한 전기장치 없이도 주변 진동수에 스스로 튜닝될 수 있는 특별한 구조로 되어 있답니다. 어떻게 달라졌는지 함께 알아볼까요?

 

ⓒ동아사이언스 발췌 / 양은아 제작

 

자동 공진 튜닝 에너지 하베스터

자가 튜닝의 일등공신은 바로 에너지 하베스터 내부에 부착된 스스로 움직이는 ‘추’입니다. 이 추는 주변의 진동을 감지하게 되면 자율적으로 다른 위치로 이동하는데요. 이 추는 주변의 진동을 감지하게 되면 자율적으로 다른 위치로 이동하여 에너지 하베스터로 하여금 외부환경과 같은 진동수를 맞추고, 주변 환경이 바뀌더라도 또다시 조절할 수 있도록 합니다. 이렇게 주변의 여러 진동과 공진할 수 있도록 함으로써 다양한 파장의 진동 에너지를 효율적으로 수확할 수 있게 되었답니다.

 

ⓒ동아사이언스 발췌 / 양은아 제작

 

또한, 우리나라의 상용 전기의 주파수는 1초에 약 60번 진동하는 60Hz인 만큼, 이 방법으로 60Hz에서 100Hz까지 약 36Hz 범위의 진동을 흡수할 수 있는데요. 이로써 굉장히 짧은 진동수의 진동만 흡수할 수 있어 한정적이던 기존의 하베스터의 공진 주파수 영역을 14배 이상으로 넓힌 것이죠.

 

더 나아가 에너지 하베스터는 따로 배터리나 전원을 연결하지 않고, 주변의 에너지로 자가 발전하는 만큼, 구조는 간단하면서 추가 에너지 소모가 없다는 것이 특징이죠. 따라서 사물인터넷(IoT) 시스템, 무선 센서 네트워크, 그리고 웨어러블 전자기기와 같은 독립적인 전자기기들의 전원 역할을 톡톡히 해낼 수도 있답니다.

 

에너지 하베스터로 공진 현상을 유도하여 발생한 에너지 측정 실험 ⓒ한국과학기술연구원 홈페이지

 

의의 및 기대효과

이번 에너지 하베스터의 개발은 최초로 또 다른 에너지 소모를 만들어내지 않으면서도 자가 튜닝을 이뤄낸 기술이라 더욱 의미 있는데요. 이와 같은 에너지 하베스팅 기술의 발전은 우리의 실생활에서 쓰이지 않고 버려지는 에너지들이 전력으로 재탄생하는 시기도 훨씬 앞당겨 줄 것으로 기대되고 있습니다.

 

수많은 발명품 및 개발들도 단순한 생각의 전환으로부터 시작되었죠. 그리고 그 조그마한 생각의 전환이 우리의 실생활에 변화를 주고 있고요. 에너지 하베스팅도 그와 같이 버려지는 에너지를 오히려 또 다른 전기에너지로 만들자는 생각의 전환으로부터 비롯되었는데요. 우리 주변의 모든 것이 에너지의 원천일 그때, 우리의 생활은 어떻게 바뀌어 있을까요?

 

 

 


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